冥王星的心形湯博區可以被認為是這顆矮行星的審美亮點。美國國家航空航天局的“新視野號”探測器在 2015年飛掠 期間，以驚人的清晰度捕捉到了這個巨大的、高反射率的地質特徵。其橢圓形的西部葉瓣，斯普特尼克平原，根據最近的估計，長度超過 1,200 英里，引起了行星科學家的注意：它似乎是一個由巨大的古代撞擊坑挖出的碗狀盆地。今天，它充滿了年輕的、翻滾的氮冰浮冰。
“新視野號”探測器並沒有很好地觀察冥王星的另一側。但是，當它瞥見時，它確實設法在斯普特尼克平原正對面的全球部分發現了一個區域，該區域看起來像是裂縫、土堆和坑窪的混亂地質拼圖。由於沒有明顯的地層機制，科學家們推測了它的起源。
現在研究表明，雕刻出斯普特尼克平原的撞擊事件是罪魁禍首。根據複製那場災難性事件的模擬，它向冥王星周圍和內部發送了強大的地震波，到達了世界另一側的區域，撕裂了那裡的土地，形成了“新視野號”探測器看到的奇怪特徵。至關重要的是，這些強大的地震波的傳播，以及由此產生的混亂地形的特定尺寸的形成，只有在冥王星擁有93 英里厚的液態水地下海洋的情況下才有可能——科學家們已經考慮了一段時間的想法。
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這項工作在三月份的 第 51 屆月球與行星科學會議 上以虛擬形式展示，該會議在得克薩斯州伍德蘭茲的現場聚會因冠狀病毒大流行而被 取消。該模型仍處於早期階段，尚未經過同行評審。但將撞擊事件與遠處其他地方的地質特徵聯絡起來，以推斷冥王星的內部結構，“真是一個新穎的想法”，美國國家航空航天局噴氣推進實驗室的行星科學家 James Tuttle Keane 說，他沒有參與這項研究。
埋藏的海洋
北卡羅來納州立大學的行星地質學家 Paul Byrne 說，如果這種模擬行星地震學的方法成立，那麼從遠處提取秘密可能不僅僅是冥王星的秘密，他也未參與這項研究。這個概念可以擴充套件到各種冰冷的世界和衛星，從太陽系冰巨星的衛星到柯伊伯帶其他地方隱藏的寒冷龐然大物。楊百翰大學的行星科學家 Jani Radebaugh 說，最重要的是，這項研究提醒人們“新視野號”探測器與冥王星的“會面”具有不可估量的價值，她也沒有參與這項工作。“我們從它身上榨取每一滴價值，這真是太神奇了，”她補充道。
2016 年闡明瞭冥王星地下海洋的關鍵證據。在新視野號探測器與這顆矮行星近距離接觸後，斯普特尼克平原進入視野，科學家們意識到這個撞擊盆地位於一個奇怪的位置：位於赤道上，並且與冥王星最大的衛星卡戎保持恆定的軌道對齊，卡戎不會從其在世界另一側的相對位置移動。模型表明，當盆地形成時，冥王星的赤道在其他地方，但撞擊發生後，地下水海洋開始湧入峽谷，而冰聚集在其頂部。為了適應這個突然出現的潮溼、沉重、充滿冰的隕石坑，冥王星 傾斜到目前的排列，形成了新的赤道。
但這個概念仍然只是一個假設，需要更多證據來證實海洋的存在。在地球、月球 和 火星 上，科學家們使用機器人來探測穿過天體的地震波——這些波會根據它們穿過的物質反射、偏轉和扭曲——然後使用這些波來描繪其地下層的影像。但是，這種方法在遙遠的冥王星上是不可行的，冥王星缺乏機器人探測器，也沒有未來的任務計劃。
碰巧的是，幫助來自數十億英里之外的水星。它的 卡路里盆地，一個大約 950 英里寬的撞擊坑，位於世界正對面的另一側，即對蹠點，那裡是一個破碎的岩石和令人發狂的起伏地形的混亂局面。“在身體的其他任何地方都沒有類似的東西，”Radebaugh 說。科學家們長期以來一直認為，這種崎嶇地形是卡路里盆地劇烈形成的結果——正如斯普特尼克平原對蹠點起伏不平的陸地可能來自冥王星自身巨大的撞擊事件一樣。
因此，科學家們想知道，為什麼不重新建立冥王星的地震學來找出答案呢？他們轉向 iSALE 模型，該模型模擬行星尺度的撞擊並複製撞擊衝擊的物理學。Adeene Denton 是普渡大學行星地質學博士生，也是這項新工作的主要作者，她說她“無數次炸燬了冥王星”。
虛擬地震學
最能複製斯普特尼克平原和冥王星扭曲的對蹠地形尺寸的模擬涉及一個直徑 250 英里的射彈，以每小時 4,500 英里的速度撞擊冥王星。在模型中，當斯普特尼克平原被雕刻出來時，巨大的衝擊波穿過整個世界。應力波（導致矮行星物理變形）尾隨衝擊波。它的運動取決於聲波在其傳播的材料中的速度。應力波迅速穿過冥王星的岩石核心，並在天體的冰殼中緩慢移動。它在夾在兩者之間的 93 英里厚的液態水海洋中移動得更慢。
海洋充當從岩石核心到斯普特尼克平原對蹠點的應力波傳輸的屏障。但是，這種效應被這個行星層狀結構的另一個方面所抵消：海洋屏障也意味著在冰殼中移動的地震能量被困在那裡，從而增強了這種能量到達對蹠點的能力。
核心的地質成分也促進了地震波的傳輸。在最符合資料的模擬中，核心由蛇紋石構成，蛇紋石傳輸應力波的速度比其他可能的候選物質慢。核心和海洋之間的聲速差異很小，這是一個物理學上的怪癖，它允許更多的地震能量透過海洋流向對蹠點，而不是原本可能的情況。
總體效果是，大量的能量被集中在斯普特尼克平原的對蹠點上。儘管該軟體無法解析特定地質特徵的形成，但對那裡可能發生的變形的計算表明，這種地震聚焦產生了其混亂的地形。
這個假設是可靠的，但尚未板上釘釘。Byrne 說，與斯普特尼克平原一側的影像相比，“新視野號”探測器拍攝的冥王星另一半影像解析度較差，因此很難準確地弄清楚它們顯示的是什麼。“冥王星遠端有很多奇怪的東西，”Keane 說。“而且有很多不同的方法可以想象創造我們看到的一些奇怪的模式。”一種可能性涉及冥王星表面覆蓋的揮發性冰，例如甲烷、二氧化碳和氮。這些揮發物經常在氣體和固體之間波動，從而侵蝕景觀。它們可能是造成不尋常地形的原因，包括斯普特尼克平原對蹠點的混亂景象。（最近一項不相關的研究也 指責揮發物 造成了水星卡路里盆地對蹠點的混亂地形。）
但是，如果新模型是正確的，它會增加這樣一種觀點的可信度，即冥王星及其在其他地方的冰冷表親可能擁有大量的地下海洋。“我們可能需要稍微不同地思考柯伊伯帶本身以及其中的所有遙遠世界，並可能更仔細地觀察它們，”Denton 說。它們遠非僅僅是冰凍的雪球，“它們都可能擁有如此令人難以置信的、豐富的地質歷史。”
本文的標題為“碰撞地形”的版本已改編收錄在 2020 年 6 月號的《大眾科學》雜誌中。